冀北高尖子地區土壤地球化學特征及其找礦預測

梁 鳴，高 文，羅先熔，王曉東，劉秀娟，陳 皓，劉攀峰，竹 峰，李 偉

(1.桂林理工大學地球科學學院隱伏礦床預測研究所，廣西 桂林 541006；2.河北省地礦局第四地質大隊，河北 承德 067000；3.華北地質勘查局五一四地質大隊，河北 承德 067000)

0 引 言

高尖子地區位于河北省承德市圍場縣西北部，屬內蒙—大興安嶺褶皺系的內蒙華力西晚期褶皺系棋盤山中凹陷構造單元[1]。區域內構造-巖漿活動強烈，具有多期次成礦作用疊加的特征，是冀北重要的成礦地段[2-3]。近年來，高尖子地區開展了較多的區域地質普查工作，2009年中國地質科學院地質所與河北省區域地質礦產調查研究所合作完成的冀北1:25萬西老府幅區域地質調查項目，對研究區進行數字地質填圖，較高程度地研究了侵入巖，詳細劃分了地層；2012年河北省地球物理勘查院完成冀北1:25萬西老府幅區域化探項目，為研究區成礦潛力元素的選擇及區域地球化學背景值的計算，提供了重要的參考資料；2017年河北省地礦局第四地質大隊完成1:5萬新撥幅水系沉積物測量工作，顯示高尖子地區以Ag-Mo-Au組合異常為主，具有良好的成礦和找礦潛力。

以往勘查工作多為中小比例尺的普查，而大比例尺的詳查工作較少，且區域內風成沙和風成黃土覆蓋較厚，地表礦化線索較少。為了進一步縮小高尖子地區的水系沉積物異常找礦靶區并圈定礦(化)體分布，筆者通過在高尖子地區開展1:1萬土壤地球化學測量[4]，分析該地區土壤地球化學參數特征，提取有效的找礦信息，總結成礦元素分布規律，結合異常查證和工程驗證的結果，探討土壤地球化學測量在高尖子地區地質背景和地球化學景觀下的有效性，為高尖子地區勘查工作提供科學依據[5-7]。

1 地質背景

高尖子地區大地構造位置系華北陸塊區北緣的冀北巖漿弧，其南側與額爾齊斯—西拉木倫對接帶的通遼巖漿弧接壤(圖1(a))[8]，屬于棋盤山火山-沉積盆地，區內斷裂構造發育，主構造線呈近北東向展布；因后期地層覆蓋及后期巖體侵位，白堊系地質體零星出露[9]。

圖1 高尖子地區大地構造略圖(a)(據文獻[8])和區域地質圖(b)(據陳皓等①)Fig.1 Tectonic map of the Gaojianzi area (a)(from reference [8])and regional geological map (b)(from Chen et al①)1.第四系；2.新近系漢諾壩組；3.下白堊統義縣組；4.下白堊統大北溝組；5.下白堊統張家口組；6.花崗斑巖；7.閃長玢巖；8.潛流紋巖；9.石英正長斑巖；10.地質界線；11.斷層；12.研究區范圍

研究區地層出露較好，巖性較為簡單(圖1(b))。主要出露地層為白堊系、新近系及第四系地層。白堊系地層由張家口組(K1z)、大北溝組(K1d)和義縣組(K1y)組成，主要巖性為流紋質凝灰巖、凝灰質巖屑砂巖和輝石安山巖等。新近系地層為中新統漢諾壩組(N1h)，主要巖性為玄武巖。第四系(Q)地層主要包括上更新統馬蘭組(Qp3m)，為一套河流-牛軛湖相的灰色細砂層；另有部分全新統風積殘積物和全新統沖洪積物。

區域內以北東向于家溝—姜家店斷裂為主。該斷裂在研究區周圍衍生出北北東向次級斷裂F1(長脖子梁斷裂)、F2(母子溝門斷裂)和多處構造破碎帶，組成了良好的成礦構造環境，為成礦元素的遷移提供運移通道，同時也是良好的容礦空間。

區域內中生代燕山旋回巖漿活動較為強烈，以白堊紀花崗斑巖和閃長玢巖為主。大規模的火山噴發和巖漿侵入，造成區內火山巖厚度較大、巖體較發育的特征。侵入巖里特曼指數(σ)變化在1.03～3.80之間，屬于鈣堿性-堿性巖石。分異指數88.50～94.33，巖漿分異演化程度較高*陳皓，張立劍，趙向奎，等.河北省大喚起鹿場、新撥、于家店1:5萬地球化學測量成果報告[R].承德：河北省地礦局第四地質大隊，2019.?；鹕絿姲l的后期形成大量淺成、超淺成侵入巖，為多金屬礦產的形成提供了熱源和部分成礦物質來源。

2 樣品采集與測試分析

研究區面積5.36 km2，按照《土壤地球化學測量規程》(DZ/T0145—2017)要求，網度設置為100 m×40 m，采集土壤樣品1419件，重復樣33件(圖2)。采集的樣品均為原地殘積物或殘坡積物，篩分粒度為60目至10目，采樣深度為30～60 cm，并保證加工后可用樣品質量在150 g以上。

圖2 高尖子地區土壤樣品采樣位置Fig.2 Map showing the soil sampling locations at Gaojianzi

樣品測試單位為河北省地礦局第四地質大隊，元素含量測試分析項目包括Au、Ag、Bi、Cu、Pb、Zn、Sb、Mo和Mn共9種元素。測試分析方法及質量均滿足規程要求，Ag為發射光譜法，Au為石墨爐原子吸收法，Mo、Mn、Bi、Cu、Pb和Zn為電感耦合等離子質譜法，Sb為原子熒光光譜法。各元素的重復性檢測合格率在98%～100%之間，符合規范要求。

3 土壤關鍵元素組成特征

3.1 地球化學參數統計

對高尖子地區1419件樣品的地球化學參數進行統計，包括原始數據的樣品數(N1)、最大值、最小值、算術平均值、標準離差、變異系數(CV1)及迭代剔除均值±3倍標準離差(特異值)后的樣品數(N2)、算術平均值、標準離差、變異系數(CV2)、剔除比率和富集系數，數據統計結果見表1。

表1 高尖子地區土壤地球化學參數

3.2 元素含量分布型式

成礦作用通常伴隨著復雜的地質構造活動和多期次疊加的地質作用，使得微量元素含量分布型式多呈正偏分布[10-12]。因此，分析研究區元素含量分布型式有助于了解該區域成礦演化過程中地質改造作用的情況[13]。

運用SPSS 26軟件對高尖子地區9種元素進行統計，得到原始數據均為正偏分布，其中Au、Ag、Bi和Mo 4種元素的偏度、峰度較大。取對數后，9種元素含量分布型式變化較為明顯(圖3)，偏度、峰度均變小。其中Au、Ag、Cu、Mo和Mn 5種元素呈正偏分布，表明這5種元素遭受后期礦化作用疊加，找礦前景較好；Au、Ag和Mo 3種元素右側拖尾現象較為明顯，表明這三種元素可能存在局部富集；Pb、Zn、Sb和Bi 4種元素呈負偏分布，找礦前景較弱；Cu、Zn和Mn 3種元素為多峰分布，可能受多期次地球化學作用疊加影響。

圖3 高尖子地區土壤代表性金屬元素分布直方圖Fig.3 Histograms of representative metal distributions of soils in Gaojianzi area

3.3 元素含量特征

為了獲取各元素客觀、準確的背景值，對服從正偏分布的原始數據進行迭代剔除特異值的處理[14]。剔除特異值的樣品數越多，剔除比率(E)就越大，該元素就越可能為主元素[15-16]。其中，剔除比率(E，%)的計算公式為：

E={(N1-N2)/N1}×100

(1)

由表1可知，元素Ag、Au和Mo的剔除比率分別為15.72%、11.84%和10.64%，表明這3種元素被剔除的特異值數據較多，可能為研究區內的強異常元素。

運用元素原始數據的算術平均值(Cf1)除以相對應的中國土壤豐度值(Cf2)[17]的結果作為富集系數(Cf1/Cf2)。由表1可知，研究區內富集系數最高的元素為Mo(3.81)，其次為Ag(1.93)，表明Mo和Ag元素處于高背景場，這2種元素局部富集；元素Pb(0.73)、Cu(0.72)、Sb(0.56)和Bi(0.27)富集系數小于0.8，這4種元素局部貧化；元素Zn(1.08)、Mn(1.08)和Au(0.93)富集系數介于0.8～1.2之間，富集、貧化特征不明顯。

運用標準離差和算數平均值的比值作為變異系數[18]。由表1可知，原始數據變異系數較大的元素有Ag(10.44)、Mo(3.93)、Bi(2.27)和Cu(1.15)，表明這4種元素在研究區內發生了較強的分異作用，具備富集成礦的地球化學條件。利用CV1/CV2的比值來反映數據集的相對離散程度，比值越大，說明特異值數據占比越大，越易形成地球化學異常，成礦可能性越高。CV1/CV2比值大于2.5的元素有Ag(21.28)、Mo(6.79)、Bi(3.97)和Au(2.93)，表明這4種元素高強數據占比大，富集成礦的可能性大。

結合剔除比率、富集系數和變異系數等地球化學參數統計，認為Ag、Au和Mo元素的特異值數據較多，具有較強的富集成礦可能性，是區域內的成礦有利元素。

3.4 元素組合特征

3.4.1 相關分析

對土壤地球化學原始數據進行相關分析(表2)，有利于確定元素間親疏關系[19-21]。由表2可知，Cu與Zn相關性最好，相關系數為0.84；其次為Cu與Mn，相關系數為0.83；Cu與Zn和Mn均為強相關關系。結合單元素異常分析結果，3種元素的異常均出現在玄武巖分布區，且漢諾壩組玄武巖的Cu和Zn巖石樣元素含量分別為52.02×10-6和139.30×10-6，遠高于華北總陸殼Cu和Zn元素背景值(分別為30×10-6和74×10-6)，推斷研究區內這3種元素地球化學異常主要由漢諾壩組玄武巖引起①。其次，Au與Bi、Sb和Mo之間相關系數均大于0.6。

表2 高尖子地區元素相關系數矩陣

3.4.2 R型聚類分析

對研究區土壤地球化學原始數據進行R型聚類分析，可以直觀地反映元素間空間組合的親疏關系[22-23]。在相關系數R=0.4的相似水平上，將9種元素組合分為4組(圖4)：①Cu-Zn-Mn、②Sb-Mo、③Au-Bi-Pb和④Ag。結合研究區單元素異常圖，獲得以下幾點認識：Cu-Zn-Mn為中高溫元素組合，3種元素相關性較好；Cu、Mn元素在研究區漢諾壩組玄武巖中相對富集，反映了與區域噴出巖有關的巖漿活動，推斷該因子主要反映區域巖漿活動引起的巖性異常。②③和④組元素是局部構造熱液活動或局部成礦的反映；Sb、Mo、Pb和Bi異常呈散點狀分布在研究區，推測研究區可能受到了多期次的地質作用影響；Ag與其它元素相關性較差，可能為構造熱液活動的反映。

圖4 高尖子地區元素R型聚類分析譜系圖Fig.4 R cluster analysis pedigree chart for Gaojianzi area

3.5 元素異常特征

本文運用累頻法[24]統計各元素的異常下限。將原始數據從小到大排列，分別取累頻數85%、92%和98%的原始數據分別作為外帶、中帶和內帶的下限(表3)。

表3 高尖子地區元素異常分帶值

1:1萬地質草測顯示研究區內存在兩條構造破碎帶(F11、F12)，均呈NNE方向展布。F11構造破碎帶蝕變作用較不發育，蝕變類型多為硅化，另見少量錳礦化、褐鐵礦化、螢石礦化和局部弱銀礦化。

結合單元素異常圖(圖5)可以看出，9種元素均具有較好的濃集中心，濃度分帶較為明顯；元素分布特征與R型聚類分析結果一致，且Cu、Zn和Mn元素異常形態套合較好。因此，結合研究區地質情況，分析元素異常的特征[25]。

3.5.1 Ag元素異常特征

Ag元素含量最高值為59.8×10-6，是異常下限(0.17×10-6)的351.8倍。研究區內共圈定19處Ag單元素異常，并對單元素異常按照從北到南、從西到東的自然順序進行編號統計[26-27]。Ag單元素異常主要分布在研究區北部及西北部，總體形態呈帶狀分布，沿南北向展布，具有多處三級異常濃度分帶，主要位于白堊紀石英正長斑巖巖體中。其中Ag-3異常位于研究區北部，異常面積0.123 km2，均值6.06×10-6，最高值為59.8×10-6；Ag-9異常面積0.045 km2，均值2.47×10-6。Ag-3、Ag-9異常東部均進入F11斷裂破碎帶內，局部見銀礦化、錳礦化、褐鐵礦化和螢石礦化。

3.5.2 Au元素異常特征

Au元素含量最高值為30.60×10-9，是異常下限(1.97×10-9)的15.5倍。研究區內共圈定10處Au單元素異常，主要分布于研究區北部和西南部；北部異常主要富集于下白堊統大北溝組地層，西南部異常零散分布于白堊紀石英正長斑巖巖體和第四系覆蓋區。北部異常規模較大，形態較為規則，具有多處三級異常濃度分帶，有2處較大單元素異常：其中研究區西北部Au-2異常面積0.431 km2，均值2.98×10-9；研究區東北部Au-4異常面積0.216 km2，均值4.19×10-9，最高值30.60×10-9位于研究區東北角。Au-2、Au-4異常高值區均呈為封閉，表明研究區北部具有較好的成礦潛力。西南部有4處單元素異常，異常內帶均為單點高值引起；其中Au-8為1個含量7.45×10-9的高值異常點位引起的異常。

3.5.3 Mn、Cu和Zn元素異常特征

Mn元素含量最高值為2942×10-6，是異常下限(1157×10-6)的2.5倍；Cu元素含量最高值為163×10-6，是異常下限(44.02×10-6)的3.7倍；Zn元素含量最高值為742.00×10-6，是異常下限(116.00×10-6)的6.4倍。3種元素濃集中心主要集中在研究區南部，異常形態相似，高值區相互套合，濃集中心明顯，主體位于漢諾壩組玄武巖分布區中。

3.5.4 其他元素異常特征

Mo元素含量最高值為428.01×10-6，是異常下限(4.28×10-6)的10.0倍；Mo元素在研究區西部有幾個較大的濃集中心，疊合在F11斷裂破碎帶上；在研究區中部呈散點狀分布。Sb元素含量最高值為6.35×10-6，是異常下限(0.58×10-6)的10.9倍；Sb元素與Mo元素相關系數為0.643，兩者異常疊合較好，多處濃集中心重合，表明兩者具有一定的成因聯系。Bi元素含量最高值為6.46×10-6，是異常下限(0.12×10-6)的53.8倍，濃集中心主要集中在研究區北部。Pb元素含量最高值為125.00×10-6，是異常下限(20.50×10-6)的6.1倍，濃集中心主要在研究區東南部。

4 靶區圈定及工程驗證

在利用單元素異常圖研究元素空間分布特征的基礎上，運用Geochem Studio軟件統計單元素異常參數特征(表4)，并用規格化面金屬量(NAP)作為綜合參數來評價單元素異常參數特征[28-29]。由表4可見，NAP排序前十的單元素異常，均具有三級異常濃度分帶，Ag異常5個，Mo異常2個，Au異常2個，Bi異常1個。其中，Ag-3異常的NAP值最大，為4.171；Mo-16異常的NAP值次之，為2.193；Ag-9異常的NAP值第三，為0.595；其余異常的NAP值均小于0.5。結合元素含量特征和元素空間分布特征中Ag、Mo、Bi和Au四種成礦有利元素高值數據多、異常內點數多和部分單元素異常面積大的特點，將NAP值評序的結果作為圈定靶區的數據參考指標。

結合研究區的地層、構造條件，將元素成因相似、空間位置疊置的單元素異常進行綜合圈定，共圈定4處綜合異常區(圖6)。

圖6 高尖子地區土壤金屬元素綜合異常及工程布設圖Fig.6 Comprehensive anomalies and engineering layout sketch for elements of soils in Gaojianzi area

AP1綜合異常位于研究區北部，由Ag、Mo、Bi、Sb和Au等單元素異常組成，其中Ag單元素異常面積最大(NAP值排序第一的Ag-3)，Mo單元素異常面積次之(Mo-5)，Ag、Mo元素異常形態分布較為集中，均被F11構造破碎帶切割，具備有利的控礦和容礦構造，為研究區重點找礦靶區；在Ag、Mo異常和F11構造破碎帶北部疊合的區域內，圈定Ⅰ號重點異常查證區，布設JC01土壤測量剖面。

AP2綜合異常位于研究區東部，由Sb、Ag、Mo和Pb等元素組成，單元素異常的面積和強度均弱于AP1綜合異常，將AP2綜合異常區作為一般查證區，待查證。

AP3綜合異常區位于研究區西北部，由Sb、Mo、Ag、Au和Mn等元素組成，其中Mo單元素異常面積最大(Mo-16)，Ag單元素異常面積次之(Ag-9)，為NAP值排序第二、三的單元素異常，同樣被F11構造破碎帶切割，具有良好的找礦潛力。將AP3綜合異常區作為研究區重點找礦靶區，圈定Ⅱ號重點異常查證區，布設JC02土壤測量剖面。

AP4綜合異常區位于研究區南部，主要由Mn、Cu和Zn三種元素的單元素異常組成，夾雜少量Pb、Au、Sb和Mo等元素的弱小單元素異常。分析單元素異常特征可知，AP4綜合異常主體位于漢諾壩組玄武巖分布區，該綜合異常受巖性影響較大。將AP4綜合異常區作為一般查證區。

Ⅰ號重點異常查證區面積0.21 km2，位于研究北部，由Ag、Mo、Au、Bi和Sb等5種元素組成，均具有三級異常濃度分帶。針對該靶區布設一條點距20 m、長300 m的土壤地球化學測量剖面JC01(圖7)。在JC01剖面160 m處，Ag元素含量為3.33×10-6。剖面西側為石英正長斑巖巖區，巖石新鮮面呈淺黃褐色，斑狀結構，塊狀構造，斑晶為石英、鉀長石等，基質為隱晶質，巖石沿裂隙面偶見有褐鐵礦化。剖面向東約100 m處進入F11斷裂帶內，破碎帶寬度約260 m。帶內見構造角礫巖，呈黃褐色，角礫成分為石英正長斑巖，巖石受構造應力影響發生破碎，具定向排列。膠結物為硅質、黏土及少量巖屑。巖裂隙見有紫色螢石礦化、硅化，局部見錳染和黃鐵礦化。

圖7 高尖子地區JC01土壤地球化學剖面圖Fig.7 JC01 soil geochemical profile in Gaojianzi area

參照JC01土壤地球化學剖面結果，在Ag元素含量較高的100～180 m布設槽探工程TC01，見銀礦兩層(圖8)，均達到邊界品位。第一層真厚度為0.94 m，Ag平均品位59.50×10-6；第二層真厚度為0.91 m，Ag平均品位70.20×10-6。礦體均產于F11斷裂帶中，礦體周圍見有黃鐵礦化，黃鐵礦晶形較完整，局部見姜黃色蜂窩狀褐鐵礦化，另見少量螢石礦化。

圖8 高尖子地區TC01礦化部位素描圖Fig.8 Profile of mineralized area in Gaojianzi trench TC01

Ⅱ號重點異常查證區面積0.07 km2，位于研究區西北部，其中Mo、Ag、Sb、Cu和Au 5種元素具有三級濃度分帶，Pb元素具有二級濃度分帶，Mn、Zn具有一級濃度分帶。針對該靶區布設一條點距20 m、長240 m的土壤地球化學測量剖面JC02(圖9)。在JC02剖面120 m處，Mo元素含量為118.00×10-6；140 m處，Ag元素含量為3.33×10-6；Au元素含量為4.45×10-9。剖面西側為漢諾壩組玄武巖，巖石表面呈灰褐色，新鮮面呈灰黑色，局部致密塊狀構造，表面見有少量氣孔，未見填充物，沿裂隙見褐鐵礦化。剖面向東延伸90 m后進入構造破碎帶F11內，破碎帶寬約250 m，內見構造角礫巖，呈淺黃褐色，角礫成分為石英正長斑巖，膠結物為硅質、黏土及少量巖屑。裂隙見有紫色螢石礦化、硅化，局部見錳染和黃鐵礦化。

圖9 高尖子地區JC02土壤地球化學剖面圖Fig.9 JC02 soil geochemical profile in Gaojianzi area

參考JC02剖面結果，在100～160 m處，Mo、Ag和Au元素含量較高的位置布設槽探工程TC02。該探槽共見礦兩層，為達到邊界品位銀礦和金礦(圖10)，其中銀礦體真厚度為0.81 m，Ag平均品位67.3×10-6；金礦體真厚度為0.90 m，Au平均品位1.06×10-6。

圖10 高尖子地區TC02礦化部位素描圖Fig.10 Profile of mineralized area in Gaojianzi trench TC02

5 找礦潛力分析

槽探TC01揭露的兩條Ag礦體與Ag元素面積最大的單元素異常Ag-3位置套合，槽探TC02揭露的Ag礦體與Ag元素面積第二大的單元素異常Ag-9位置套合，Au礦體與Au元素單點高值引起的異常Au-8位置套合。依據土壤地球化學測量結果圈定兩處重點異常查證區并用槽探工程揭露多條Ag、Au礦體，表明這一方法的可靠性。因此，在研究區及周邊區域內查證高、強異常的同時，需要注意Au元素的單點高值異常。

槽探工程揭露的Ag、Au礦體分布于受F11構造破碎帶切割的石英正長斑巖巖體內，具有明顯的構造控礦現象。地表追索的礦化主要為錳礦化、褐鐵礦化和螢石礦化為主，局部見有銀礦化。礦化部位均沿F11構造破碎帶產出，分布在構造角礫巖的裂隙之中，礦化強度較弱。推測石英正長斑巖巖體為金屬礦產的富集提供了物質來源，斷裂構造為成礦熱液提供了運移通道和儲存空間。

因此，在土壤地球化學測量成果的基礎上，將巖體與構造的疊加特征作為區域內尋找地表出露礦、半出露礦的找礦標志?？山Y合巖體與構造疊加的找礦標志，加強對新發現的金銀礦化的控礦要素、發育特征和成因類型的分析。

6 結 論

(1)高尖子地區9種元素土壤地球化學測量結果統計分析顯示：元素Mo、Ag富集系數較高，處于高背景場；元素Ag、Mo和Bi變異系數較高，具有較強的分異作用；元素Ag、Mo、Bi和Au的CV1/CV2數值較大，高強數據點位較多。因此，將Ag、Mo、Bi和Au作為研究區成礦有利元素。

(2)Cu、Zn和Mn相關性較強，異常形態相似，異常主體位于研究區南部的漢諾壩組玄武巖分布區；Sb、Mo、Au、Bi和Pb相關性一般，異常多呈散點狀分布；Ag與其它元素相關性較差，主體分布于研究區北部及西北部，總體形態沿構造破碎帶呈帶狀分布，具備獨立富集成礦的可能。

(3)共圈定4處找礦靶區和2處重點異常查證區。Ⅰ號查證區槽探工程揭露2條達到邊界品位的Ag礦體，Ⅱ號查證區槽探工程揭露1條達到邊界品位的Ag礦體和1條達到邊界品位的Au礦體。見礦部位與單元素異常形態套合較好，表明土壤地球化學測量在高尖子地區具有較好的找礦效果。

(4)Ag、Au礦體主體位于F11構造斷裂帶切割的石英正長斑巖巖體分布區，結合土壤地球化學特征和野外地質調查，認為石英正長斑巖巖體與構造破碎帶結合的部位是研究區成礦有利空間，可以此為找礦標志加大對研究區的查證力度。

致謝：感謝河北省地礦局第四地質大隊的同事共同在野外采集樣品，以及在論文編寫過程中編輯老師提出寶貴意見和匿名審稿人提出的建設性意見！